應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的單芯片壓力傳感器
通過將硅微加工設(shè)計(jì)技術(shù)和領(lǐng)先的混合信號(hào)CMOS電路處理技術(shù)集成到一起的方法解決了單芯片傳感器早期發(fā)展存在的諸多問題。結(jié)果是人們研制出了配有放大器和校準(zhǔn)輸出的高性能單芯片壓阻式壓力傳感器。
汽車行業(yè)對(duì)那些監(jiān)測(cè)多路絕對(duì)壓力（ManifoldAbsolutePressure）和輪胎壓力的小型，強(qiáng)大以及精確傳感器系統(tǒng)的需求正變得越來越大，這是無容置疑的。而本文所描述的高性能單芯片傳感器則是一個(gè)將傳感元件、信號(hào)處理以及封裝合并而成的附帶放大器和校準(zhǔn)輸出的高性能單芯片器件。
背景
壓阻式壓力傳感器需要信號(hào)調(diào)理電路（signal-conditioningcircuitry）來實(shí)現(xiàn)與其他電子控制系統(tǒng)的可互換（interchangeability）和兼容。由于每個(gè)傳感元件都具有自己的特色，且同時(shí)受壓力和溫度的影響，因此信號(hào)調(diào)理電路需要大量的修正系數(shù)（correctioncoefficients）。這里面包括偏移的校準(zhǔn)、全刻度（full-scale）的調(diào)整以使單元間電力的互換、提供偏移和全刻度所需的溫度補(bǔ)償。另外，線性校準(zhǔn)、診斷和過濾功能在某些時(shí)候也是必要的。
將信號(hào)調(diào)理電路和傳感元件結(jié)合起來的傳統(tǒng)方式只是技術(shù)和商業(yè)上的折中結(jié)果，換句話說，這是產(chǎn)品成本和性能之間的權(quán)衡。而單片機(jī)集成電路雖然降低了成本和尺寸。但在整合信號(hào)調(diào)理電路和傳感元件方面仍存在制作工藝上的限制。混合技術(shù)（Hybridtechniques）則采用專用的ASIC或分立電路的方式。盡管相比單片電路器件這種技術(shù)擁有諸多好處，具有更好的彈性來適應(yīng)簡(jiǎn)單元件更換的設(shè)計(jì)要求，但這種混合技術(shù)制作的產(chǎn)品在尺寸和成本方面往往顯得過大，另外還需要額外的裝配工序來加強(qiáng)可靠性。而雙芯片（Two-chip）解決方案的出現(xiàn)則為汽車制造商們解決溫度補(bǔ)償和線性糾正難題提供了第三條佳徑。
一種共集成（Co-Integrated）技術(shù)
制作共集成的壓力傳感器。是MEMS傳感器設(shè)計(jì)師和混合信號(hào)IC設(shè)計(jì)師合作的結(jié)晶，該產(chǎn)品是基于0.65mB混合信號(hào)CMOS工藝。芯片尺寸為10mm2..。這款電路除了能提供為偏移量和靈敏度校準(zhǔn)功能外，還可以進(jìn)行多階溫度補(bǔ)償和錯(cuò)誤校正，并且還可以將校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM。
該制造工藝流程的設(shè)計(jì)允許所有標(biāo)準(zhǔn)CMOS步驟均可出現(xiàn)在裝配工藝前段。微機(jī)械加工步驟--在玻璃底板上刻蝕出壓力敏感掩膜，陽極焊點(diǎn)，形成絕對(duì)壓力結(jié)構(gòu)，硅刻蝕工藝不停地在測(cè)深、劃片和檢查--在電路完成后重復(fù)執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)的P型注入傳感元件無須進(jìn)行各種工序來合并形成一個(gè)特殊額外注入層。最后的管芯就可以直接提供給管芯消費(fèi)用戶或下游封裝廠商。
封裝方式是采用一種16個(gè)引腳SOIC腔封裝模式重疊注塑（overmolding）而成。而完成封裝的一個(gè)途徑是采用一種專利的使用噴射模塑成型技術(shù)（injection molding）。這種技術(shù)可以將傳感芯片的橫隔（diaphragm）膜區(qū)域爆光。任何來自管芯附加裝置、金屬焊點(diǎn)或者成型過程中產(chǎn)生的壓力都將在最后一道封裝工序內(nèi)通過設(shè)定整齊的參數(shù)來補(bǔ)償。
結(jié)果是為其他構(gòu)造作基礎(chǔ)的高性能部分，包括洞的填補(bǔ)凝膠。各種各樣的端口可能也要到包裝上焊接。
電子學(xué)該電路包括信號(hào)調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)的所有功能，如針對(duì)壓力和溫度系數(shù)的前置放大，偏移校正，跨度校準(zhǔn)，多階溫度補(bǔ)償，以及多階非線性校準(zhǔn)。
通過集成一個(gè)基于DSP的修正引擎可以提供比雙芯片單元更好的精度，例如，許多雙芯片解決方案在接近室溫的情況下?lián)碛泻芎玫木?，但隨著溫度的上升，甚至達(dá)到極限溫度的時(shí)候，這些解決方案就暴露出許多故障，原因既在于電路的不完整，也在于極端情況下傳感元件的高階非線性效應(yīng)。通過使用共集成的傳感器，錯(cuò)誤曲線就能在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保持一致。
該系統(tǒng)通過一個(gè)配有8×超采樣技術(shù)的11-bitA/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)14-bit的有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分辨率。這些數(shù)據(jù)接著通過車載DSP來進(jìn)行處理，在那里由儲(chǔ)存在可擦除只讀存儲(chǔ)器EEPROM中的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)來進(jìn)行校對(duì)糾正。接著再將正確的信號(hào)輸送到12-bitD/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，通過這些數(shù)模轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)輸出放大器。放大器設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)>2nF，在汽車環(huán)境中被用于抑制EMF。
校準(zhǔn)
能給每個(gè)傳感器儲(chǔ)存校準(zhǔn)和補(bǔ)償數(shù)值的候選技術(shù)包括：
那些在器件測(cè)試后需要激光調(diào)整（laser-trim）的厚或薄膜電阻器(為完成溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)所需)。
電子調(diào)整，將補(bǔ)償和校準(zhǔn)值編入到芯片中，這當(dāng)中既可以采用一次性的編程技術(shù)，如保險(xiǎn)絲，齊納壓二級(jí)管（Zenerdiodes）或片上調(diào)整電阻器，也可以采用可重新編程技術(shù)，如可擦除只讀存儲(chǔ)器EEPROM。
通過EEPROM和其他可重編程技術(shù)，校準(zhǔn)系數(shù)可以在制造或裝配后利用實(shí)時(shí)編程的方式多次編入器件當(dāng)中，當(dāng)然，這些系數(shù)都是在那些測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上獲得的。另外，相比激光調(diào)整（laser-trim）技術(shù)，這一部分也可以在封裝后被編程。
對(duì)校準(zhǔn)而言，傳感器可以在多種溫度和壓力條件下被測(cè)量。那些來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器中未經(jīng)校正的數(shù)據(jù)通過每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上配備數(shù)字化I/O來讀取。接著外部校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)來測(cè)定最小錯(cuò)誤并將壓力、溫度以及它們的系數(shù)按順序輸入到EEPROM當(dāng)中去。最后校準(zhǔn)證實(shí)能依照要求測(cè)定準(zhǔn)確
在沒有補(bǔ)償?shù)那闆r下，系數(shù)跨度隨著溫度的升高而改變的越來越大，相比之下，在提供補(bǔ)償?shù)那闆r下，系數(shù)跨度的變動(dòng)接近于o。在補(bǔ)償情況下的系統(tǒng)總錯(cuò)誤<0.25%，包括初始零點(diǎn)和全刻度的gain-set錯(cuò)誤。
運(yùn)算法則很適合對(duì)不同狀態(tài)（variousorders）下的壓力非線性進(jìn)行輕易改正，也可以很方便地對(duì)那些gelling或其他媒介接口引起的溫度相關(guān)壓力非線性進(jìn)行修正。
經(jīng)過編程后，EEPROM將作為一個(gè)完整模塊被電子鎖定，或者在系統(tǒng)裝配完工后進(jìn)行更深一步的調(diào)整。由于EEPROM在初始化程序后允許改變修正參數(shù)，因此這些修正值可以在測(cè)試過程中得到優(yōu)化，或者在傳感器封裝進(jìn)入系統(tǒng)的裝配工序后再次修正（例如，可以輸入串行信息或更好誤差休正）。
總結(jié)
本文所涉及的新型單芯片壓力傳感器，是采用與0.65mmCMOS和MEMS技術(shù)相兼容的工藝流程來制造的。在同一芯片上集成所有的信號(hào)調(diào)節(jié)和壓力傳感功能（包括汽車工業(yè)所需要的溫度和線形校正）。和混合架構(gòu)相比，這種共集成（co-integrated）單元可以在縮減尺寸和成本的同時(shí)大幅改善性能。片上（Onchip）EEPROM儲(chǔ)存校準(zhǔn)和補(bǔ)償值，測(cè)試結(jié)果表明器件性能比未補(bǔ)償之前有戲劇性的改進(jìn)。這種共集成（co-integrated）技術(shù)預(yù)計(jì)也將延伸應(yīng)用到其他器件上，包括加速計(jì)，陀螺儀和其他種類的傳感器上。
汽車行業(yè)對(duì)那些監(jiān)測(cè)多路絕對(duì)壓力（ManifoldAbsolutePressure）和輪胎壓力的小型，強(qiáng)大以及精確傳感器系統(tǒng)的需求正變得越來越大，這是無容置疑的。而本文所描述的高性能單芯片傳感器則是一個(gè)將傳感元件、信號(hào)處理以及封裝合并而成的附帶放大器和校準(zhǔn)輸出的高性能單芯片器件。
背景
壓阻式壓力傳感器需要信號(hào)調(diào)理電路（signal-conditioningcircuitry）來實(shí)現(xiàn)與其他電子控制系統(tǒng)的可互換（interchangeability）和兼容。由于每個(gè)傳感元件都具有自己的特色，且同時(shí)受壓力和溫度的影響，因此信號(hào)調(diào)理電路需要大量的修正系數(shù)（correctioncoefficients）。這里面包括偏移的校準(zhǔn)、全刻度（full-scale）的調(diào)整以使單元間電力的互換、提供偏移和全刻度所需的溫度補(bǔ)償。另外，線性校準(zhǔn)、診斷和過濾功能在某些時(shí)候也是必要的。
將信號(hào)調(diào)理電路和傳感元件結(jié)合起來的傳統(tǒng)方式只是技術(shù)和商業(yè)上的折中結(jié)果，換句話說，這是產(chǎn)品成本和性能之間的權(quán)衡。而單片機(jī)集成電路雖然降低了成本和尺寸。但在整合信號(hào)調(diào)理電路和傳感元件方面仍存在制作工藝上的限制。混合技術(shù)（Hybridtechniques）則采用專用的ASIC或分立電路的方式。盡管相比單片電路器件這種技術(shù)擁有諸多好處，具有更好的彈性來適應(yīng)簡(jiǎn)單元件更換的設(shè)計(jì)要求，但這種混合技術(shù)制作的產(chǎn)品在尺寸和成本方面往往顯得過大，另外還需要額外的裝配工序來加強(qiáng)可靠性。而雙芯片（Two-chip）解決方案的出現(xiàn)則為汽車制造商們解決溫度補(bǔ)償和線性糾正難題提供了第三條佳徑。
一種共集成（Co-Integrated）技術(shù)
制作共集成的壓力傳感器。是MEMS傳感器設(shè)計(jì)師和混合信號(hào)IC設(shè)計(jì)師合作的結(jié)晶，該產(chǎn)品是基于0.65mB混合信號(hào)CMOS工藝。芯片尺寸為10mm2..。這款電路除了能提供為偏移量和靈敏度校準(zhǔn)功能外，還可以進(jìn)行多階溫度補(bǔ)償和錯(cuò)誤校正，并且還可以將校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM。
該制造工藝流程的設(shè)計(jì)允許所有標(biāo)準(zhǔn)CMOS步驟均可出現(xiàn)在裝配工藝前段。微機(jī)械加工步驟--在玻璃底板上刻蝕出壓力敏感掩膜，陽極焊點(diǎn)，形成絕對(duì)壓力結(jié)構(gòu)，硅刻蝕工藝不停地在測(cè)深、劃片和檢查--在電路完成后重復(fù)執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)的P型注入傳感元件無須進(jìn)行各種工序來合并形成一個(gè)特殊額外注入層。最后的管芯就可以直接提供給管芯消費(fèi)用戶或下游封裝廠商。
封裝方式是采用一種16個(gè)引腳SOIC腔封裝模式重疊注塑（overmolding）而成。而完成封裝的一個(gè)途徑是采用一種專利的使用噴射模塑成型技術(shù)（injection molding）。這種技術(shù)可以將傳感芯片的橫隔（diaphragm）膜區(qū)域爆光。任何來自管芯附加裝置、金屬焊點(diǎn)或者成型過程中產(chǎn)生的壓力都將在最后一道封裝工序內(nèi)通過設(shè)定整齊的參數(shù)來補(bǔ)償。
結(jié)果是為其他構(gòu)造作基礎(chǔ)的高性能部分，包括洞的填補(bǔ)凝膠。各種各樣的端口可能也要到包裝上焊接。
電子學(xué)該電路包括信號(hào)調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)的所有功能，如針對(duì)壓力和溫度系數(shù)的前置放大，偏移校正，跨度校準(zhǔn)，多階溫度補(bǔ)償，以及多階非線性校準(zhǔn)。
通過集成一個(gè)基于DSP的修正引擎可以提供比雙芯片單元更好的精度，例如，許多雙芯片解決方案在接近室溫的情況下?lián)碛泻芎玫木?，但隨著溫度的上升，甚至達(dá)到極限溫度的時(shí)候，這些解決方案就暴露出許多故障，原因既在于電路的不完整，也在于極端情況下傳感元件的高階非線性效應(yīng)。通過使用共集成的傳感器，錯(cuò)誤曲線就能在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保持一致。
該系統(tǒng)通過一個(gè)配有8×超采樣技術(shù)的11-bitA/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)14-bit的有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分辨率。這些數(shù)據(jù)接著通過車載DSP來進(jìn)行處理，在那里由儲(chǔ)存在可擦除只讀存儲(chǔ)器EEPROM中的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)來進(jìn)行校對(duì)糾正。接著再將正確的信號(hào)輸送到12-bitD/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，通過這些數(shù)模轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)輸出放大器。放大器設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)>2nF，在汽車環(huán)境中被用于抑制EMF。
校準(zhǔn)
能給每個(gè)傳感器儲(chǔ)存校準(zhǔn)和補(bǔ)償數(shù)值的候選技術(shù)包括：
那些在器件測(cè)試后需要激光調(diào)整（laser-trim）的厚或薄膜電阻器(為完成溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)所需)。
電子調(diào)整，將補(bǔ)償和校準(zhǔn)值編入到芯片中，這當(dāng)中既可以采用一次性的編程技術(shù)，如保險(xiǎn)絲，齊納壓二級(jí)管（Zenerdiodes）或片上調(diào)整電阻器，也可以采用可重新編程技術(shù)，如可擦除只讀存儲(chǔ)器EEPROM。
通過EEPROM和其他可重編程技術(shù)，校準(zhǔn)系數(shù)可以在制造或裝配后利用實(shí)時(shí)編程的方式多次編入器件當(dāng)中，當(dāng)然，這些系數(shù)都是在那些測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上獲得的。另外，相比激光調(diào)整（laser-trim）技術(shù)，這一部分也可以在封裝后被編程。
對(duì)校準(zhǔn)而言，傳感器可以在多種溫度和壓力條件下被測(cè)量。那些來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器中未經(jīng)校正的數(shù)據(jù)通過每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上配備數(shù)字化I/O來讀取。接著外部校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)來測(cè)定最小錯(cuò)誤并將壓力、溫度以及它們的系數(shù)按順序輸入到EEPROM當(dāng)中去。最后校準(zhǔn)證實(shí)能依照要求測(cè)定準(zhǔn)確
在沒有補(bǔ)償?shù)那闆r下，系數(shù)跨度隨著溫度的升高而改變的越來越大，相比之下，在提供補(bǔ)償?shù)那闆r下，系數(shù)跨度的變動(dòng)接近于o。在補(bǔ)償情況下的系統(tǒng)總錯(cuò)誤<0.25%，包括初始零點(diǎn)和全刻度的gain-set錯(cuò)誤。
運(yùn)算法則很適合對(duì)不同狀態(tài)（variousorders）下的壓力非線性進(jìn)行輕易改正，也可以很方便地對(duì)那些gelling或其他媒介接口引起的溫度相關(guān)壓力非線性進(jìn)行修正。
經(jīng)過編程后，EEPROM將作為一個(gè)完整模塊被電子鎖定，或者在系統(tǒng)裝配完工后進(jìn)行更深一步的調(diào)整。由于EEPROM在初始化程序后允許改變修正參數(shù)，因此這些修正值可以在測(cè)試過程中得到優(yōu)化，或者在傳感器封裝進(jìn)入系統(tǒng)的裝配工序后再次修正（例如，可以輸入串行信息或更好誤差休正）。
總結(jié)
本文所涉及的新型單芯片壓力傳感器，是采用與0.65mmCMOS和MEMS技術(shù)相兼容的工藝流程來制造的。在同一芯片上集成所有的信號(hào)調(diào)節(jié)和壓力傳感功能（包括汽車工業(yè)所需要的溫度和線形校正）。和混合架構(gòu)相比，這種共集成（co-integrated）單元可以在縮減尺寸和成本的同時(shí)大幅改善性能。片上（Onchip）EEPROM儲(chǔ)存校準(zhǔn)和補(bǔ)償值，測(cè)試結(jié)果表明器件性能比未補(bǔ)償之前有戲劇性的改進(jìn)。這種共集成（co-integrated）技術(shù)預(yù)計(jì)也將延伸應(yīng)用到其他器件上，包括加速計(jì)，陀螺儀和其他種類的傳感器上。
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